一種光電二極管IV轉換模塊設計與實現

楊梅 劉學軍 張緯蓉 彭云聰

摘要：文章旨在設計并實現一種mA級的光輸入電流轉換為0～5V電流/電壓（IV）轉換電路，并將誤差控制在5%以內。設計采用電路驅動光電管完成電流到電壓信號的轉換，采用前置放大電路、差分放大電路和濾波電路的設計完成電壓信號的放大、濾波處理。經實驗測量不同頻率下，輸出信號各項參數符合要求，在工程實踐中可以作為一種性能良好的IV轉換電路加以應用。

關鍵詞：電流轉電壓;光電管;濾波

本文設計一種基于光電二極管的電流電壓轉換及電壓放大的電路。首先完成光信號轉換為電信號，其次考慮到電信號電流較為微弱，采用設計合理放大電路，實現4～20mA的輸入電流信號轉化為0～5V的輸出電壓信號的電流/電壓（I/V）轉換電路。

一、系統總體設計與分析

（一）總體設計思路

根據電路系統性能指標要求，選用LF353和OPA277放大器設計實現一個mA級電流轉換成0-5V的輸出直流電壓的轉換器電路，同時保證5%以內的誤差要求。

（二）I/V轉換原理

系統電路設計如圖所示，圖1中為了避免產生誤差給電阻R2和R3并聯一個47pF級的電容C3。

OPA277是雙電源工作，管腳7和4為正負電源，每個引腳需要兩個0.1uF電容器（C2，C5）進行高頻濾波，以避免干擾等因素。所述的兩個旁路電容C4和C6，C4是減小帶寬，C6是減少電路中的1/f噪聲，如圖2所示。

（三）差分放大電路

差分放大電路，能夠抑制共模信號，原理圖采用T型網絡結構。由于信息反饋電阻可以擴展（1+R3/R2）倍，即可減少熱噪音問題和運放輸入偏執電流的影響。電路設計采用OPA277放大器，轉換關系不受負載影響，但芯片限值影響輸入電壓。R2、R3形成閉合回路，當光通過二極管照進端子時，提取背景噪聲環境里產生的前置放大器的小信號。將輸入電流轉化為電壓輸出，根據運放的虛短路，虛斷路，輸入電流，流經滑動變阻器R4并形成輸出信號Vout。根據圖3所示，將電壓通過LF353放大器進行前置放大。若要加大管理模塊放大倍數的輸出，只需要增益R15和R16的值。

二、采集放大器

（一）OPA277放大器

將OPA277放大器作為U1，可以保證更寬的輸入電壓擺動。

（二）LF353放大器

LF353作為放大前置電信號的放大器，成本較低，速率較快。輸入運算放大器有一個內部調整的輸入偏置電壓（雙場效應管技術）。

（三）光電二極管

本實驗用到的光電二極管，是一個半導體器件，是單向導電的。原理為當光線照射到端子上時，將光能轉換為電能。光線越弱，反向電流越小，反之越大。

（四）噪聲處理

根據圖4所示，Ra，Ca為光電二極管。Ini，Cni相關特性，噪聲譜密度為Cnor2=4KTRf，K=1.38J/K。

從圖中可知： Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2

Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2

噪聲密度為：I2no=2qi;

噪聲電流為：I2=2qI△f;

輸出噪音為：E2noi=2qi△fRf2;

（五）降噪

如圖5所示，隨著頻率變化，U2變成了衰減器。低頻時，放大器減低了誤差;中頻時，衰減模式獲得增;高頻時，C1短路，Ucl=-R1/R2，高頻衰減。

（六）根據以上分析，設計以下系統電路圖（如圖6所示）

三、電路系統的應用及檢測

不同頻率下IV轉換變化情況：

1. 在1Hz頻率時，如圖7所示。

2. 在1KHz頻率時，如圖8所示。

3. 在10KHz頻率時，如圖9所示。

4. 在100KHz頻率時，如圖10所示。

四、結語

本設計使用常見集成運算放大器、成本低，器件容易獲得。基于光電管完成光電轉換，采用前置放大電路、差分放大電路和濾波電路完成電壓信號的放大、濾波處理。實現一種mA級的光輸入電流轉換為0～5V電壓的功能，誤差不超過5%。經實驗測量不同頻率下，輸出信號各項參數符合要求，在工程實踐中可以作為一種性能良好的IV轉換電路加以應用。

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（作者單位：西安交通工程學院中興通信學院）